摘要
镍基高温合金作为一种具有优良特性的材料，具有高温强度高、耐腐蚀性好和抗热震性强等特点，被广泛应用于航空涡轮叶片、发动机等关键零部件。然而，镍基高温合金零部件在复杂和极端服役环境下易发生损伤或断裂行为，但其断裂失效行为是涉及微观、介观和宏观的复杂多尺度问题，导致其损伤和断裂机制尚缺乏深入和系统地研究。因此，针对不同强化相体积分数的镍基高温合金在冲击载荷作用下的多尺度断裂问题，采用分子动力学（MD）方法和内聚有限单元法（CFEM）建立了其动态断裂失效的多尺度模型，系统地研究了其在微观尺度至宏观尺度的断裂过程及宏微观作用机制。此外，为解决传统的模拟和实验方法工作量大、时间成本高等缺点，根据多尺度数值模拟结果，结合人工神经网络方法建立了镍基高温合金动态断裂韧度预测模型，高效和准确地预测了动态断裂韧度。本文主要研究工作包括： （1）在微观尺度下，采用分子动力学方法揭示了强化相体积分数及分布、温度、加载应变率对镍基高温合金裂纹扩展和断裂行为的影响规律及作用机理。当强化相体积分数从5%增加到30%时，屈服强度从13.8GPa缓慢降至13GPa，平均流动应力在强化相体积分数15%下降至7.2GPa后保持稳定，且在强化相体积分数较高时裂纹扩展会出现穿晶现象。这是由于随着强化相体积分数升高，裂纹前端附近的应力集中度减弱，强化相周围形成的初始位错抑制基体内位错形核和发射所导致。强化相分布对镍基高温合金屈服强度影响较小，但对塑性变形阶段材料的性能影响较大。由于强化相与基体相失配度较大，其相界面容易应力集中而形成微孔洞，导致裂纹沿相界扩展。随着温度从300K增加到1200K时，杨氏模量从139.4GPa下降到113.4GPa，屈服强度则是从12.9GPa一直下降到9.6GPa。在600K下，平均流动应力到达峰值7.9GPa后便缓慢下至7.4GPa，裂纹扩展行为由脆性裂纹扩展转变为韧性扩展。在变形过程中位错线密度都随着温度升高而降低。这是由于温度增加导致原子热激活效应增强所导致。随着应变率从1.4×1010s-1增加到2.8×1010s-1时，其杨氏模量从139.4GPa增加到160.7GPa，屈服强度从12.9GPa一直增加到15.7GPa。这是由于在高应变率作用下，裂纹尖端的应力集中度显著增加，位错增殖速度显著提升所导致。 （2）建立了镍基高温合金动态断裂行为的多尺度模型，并基于该模型研究了相体积分数对镍基高温合金断裂行为的影响规律及作用机理。分子动力学方法（MD）和内聚有限单元法（CFEM）相结合，以微观尺度下得到的张力-位移（Traction-separation,T-S）曲线，建立了含有不同强化相体积分数镍基高温合金的多尺度动态断裂模型。当加载速度20m/s时，强化体积分数从5%增加到25%，动态断裂韧度从97.7MPa·m1/2增加至115.8MPa·m1/2，这是由于强化相体积分数高时其数量和分布变得更加均匀可以有效地阻止裂纹扩展，强化相体积分数高于15%时，裂纹穿过强化相内部，表现出穿晶断裂特征。通过进行15%和20%强化相体积分数的镍基高温合金的三点弯曲实验，得到其对应动态断裂韧度，与有限元模拟的动态断裂韧度对比，平均误差为9%，证明了多尺度模型的可靠性。 （3）为了预测和优化加载速度（15~40m/s）、强化相体积分数（5%~25%）等关键参数对镍基高温合金断裂韧度的影响，基于人工神经网络，结合多尺度计算模型得到的动态断裂韧度数据，建立了镍基高温合金动态断裂韧度的预测模型。采用穷举法和手工搜索法对人工神经网络的网络结构进行自适应优化，确定了最佳的网络结构。并对样本数量对网络性能影响进行了研究，发现当样本数量超过90时，模型的预测精度和计算效率最佳。通过对预测模型进行“内推”和“外推”验证计算，进一步证明了模型的可靠性。最后，通过该模型预测，发现当镍基高温合金强化相体积分数在30%以上时，该材料在复杂加载条件下仍能够保证高达90MPa·m1/2的动态断裂韧度。
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